一个采用双椭球热源焊接温度场的例子
超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测
超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测摘要: 应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对超级钢温度场和热循环进行了模拟和分析。
利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测,预测结果与实验结果基本吻合。
关键词: 超级钢热循环曲线焊接热影响区晶粒尺寸The grain size prediction in the HAZ of the ultra fine grain steelJIANG Qiuyue2(School of Mechanic and Electric Engineering, Changchun Institute of Engineering, Changchun 130012)Abstract: The paper simulates the welding temperature fields of the ultra fine grain steel by the computer simulation, and obtains the thermal cycle curve. Meanwhile, the paper has predicted the grain size of HAZ in the base of the thermal cycle curve. The outcome of the prediction accords with the outcome of the experiment .Keywords:ultra fine grain steel ; thermal cycle curve ;HAZ ;grain size;序言本文利用数字模拟技术在焊接中的应用,模拟超级钢的焊接温度场,提取热循环曲线,利用晶粒长大动力学原理预测热影响区晶粒的尺寸,晶粒尺寸直接影响到焊缝及热影响区的综合机械性能,对实际生产有着重要的现实意义。
310S奥氏体不锈钢TIG自熔焊热源模型r与温度场模拟
310S奥氏体不锈钢TIG自熔焊热源模型r与温度场模拟刘兆全;张玉妥;董文超【摘要】The simulation of TIG welding process of 12 mm thickness 310 S austenitic stain-less steel plate by finite element software SYSWELD was studied. The material thermophys-ical properties database of 310S stainless steel was established. Based on selection double el-lipsoidal model as the model of welding,convection and radiation as the main method of the heat exchange,the weld cross-section morphology and the welding thermal cycle curve be-tween simulation and experiment were compared. Finally,a double ellipsoid welding heat source model for TIG welding of 310 S austenitic stainless steel was established and calibra-ted. Results showed that the double ellipsoid welding heat source model established was more reliable. It can accurately simulate the temperature changes of 310S stainless steel TIG welding process.%采用SYSWELD有限元软件对12 mm厚的310 S奥氏体不锈钢平板TIG自熔焊焊接过程进行了模拟研究.通过建立材料物性数据库,选用双椭球模型作为焊接模型,以对流和辐射作为模拟工件与外部环境热交换的主要方式,将模拟获得的焊缝截面形貌、焊接热循环曲线和实验获得的焊缝截面形貌、焊接热循环曲线对比,建立了焊接热源模型,获得了TIG焊温度场分布.研究表明:建立的焊接热源模型拟合良好,参数选取的较为合理;双椭球热源模型能较好的模拟310 S奥氏体不锈钢TIG焊接过程的温度变化.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2017(036)005【总页数】4页(P53-56)【关键词】SYSWELD;数值模拟;热源模型【作者】刘兆全;张玉妥;董文超【作者单位】沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110159;中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳110016【正文语种】中文【中图分类】TG444+.74310S奥氏体不锈钢具有优良的高温力学性能及抗高温氧化性能,作为结构材料广泛用于石化工业[1-3]。
高速列车框架焊接的双椭圆柱高斯分布热源模型
高速列车框架焊接的双椭圆柱高斯分布热源模型卫亮1，张乐乐1，王鹏1,2(1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044; 2. 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)摘要：根据高速列车车体结构焊接工艺特点，分析并改进常用高斯热源，提出适用于铝合金惰性气体保护焊接(MIG)的双椭圆柱-高斯分布热源模型. 该热源模型基于焊接速度移动，形成的熔池表面为双椭圆形状，热流密度沿厚度方向均匀分布，在径向呈高斯-双椭圆分布. 基于热源模型的数学表达，以有限元方法实现了热机耦合的焊接过程仿真，与薄板试验结果比较，温度场分布与降低趋势较好地吻合；拉应力峰值出现在熔合线和热影响区，仿真值、试验值分别为88.8,85 MPa. 结果表明,该热源模型有效地模拟焊接温度场时域上的变化过程，准确地预测结构变形、残余应力分布规律，应用于高速列车头车框架结构焊接工艺优化及残余应力评估，为高速列车焊接质量控制及焊接工艺参数选择提供理论指导.关键词：高速列车；焊接；热源模型；有限元0 序言高速列车车体结构主要以大型铝合金板材、挤压型材焊接而成. 由焊接工艺造成工件的残余应力和变形会降低产品精度，影响焊接结构的制造和使用性能. 因此对于焊接残余应力与热变形的控制成为高速车体制造工艺的重要课题[1].有限元仿真技术已经被广泛应用于焊接问题的研究中. Fanous等人[2]利用单元运动及生死单元的理念，应用于压力管道的环向对接焊数值模拟. 上田幸雄等人[3]在以有限元法为基础，提出考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论. 王宗茂等人[4]在研究铝合金6061 焊接过程中焊缝及热影响区的软化对焊接板材结构的纵向变形的影响. 祝金丹等人[5]在薄板多道焊接残余应力模拟中，将复合壳单元的每一层作为多道焊的每一焊层取代三维实体单元. 鄢东洋等人[6]以分段热源思想为基础，提出以温度为核心控制变量的“温度函数法”. 上述文献中所模拟的焊缝宽，熔深小，熔池呈浅碟形,熔池为比较规则的圆形. 对于运动电弧作用下的铝合金MIG焊接，在焊接方向的尾部往往呈现圆锥形，赵明，武传松等人[7]指出对于运动电弧热流作用下的薄板焊接，相对于高斯分布模式，双椭圆分布模式在熔池形状试验结果吻合得更好. 但是双椭圆分布模式对于熔池中心的热流分布集中估计不足导致对于中心温度和变形估计不足.为了准确描述高速列车车体焊接的过程预测焊接变形与残余应力分布. 在标准高斯分布热源和双椭圆分布模式的基础上，提出适合铝合金板焊接的改进双椭圆柱-高斯分布热源模型，通过使用有限元软件ANSYS的APDL语言进行二次开发，实现了改进的双椭圆柱-高斯分布热源模型热机耦合的焊接过程仿真，使用该改进热源分布模型分析得到的温度场、残余应力场均试验有较好的吻合. 将该模型应用于高速列车典型的结构焊接过程仿真，研究焊接应力与变形的物理本质及其分布规律，以此为基础可进一步研究带有初始复杂应力状态结构的承载能力问题，为有效控制焊接残余应力提供理论依据，以提高结构空间形状质量及安全承载性能.1 双椭圆柱-高斯分布热源模型高斯热源是在焊接仿真中应用最广泛的热源，它将热源按高斯函数在一定的范围内分布[8,9]，描述了焊接过程中，电弧作用在工件表面上热量分布呈中心集中并向边缘逐渐减少的特征. 对于运动电弧作用下的MIG焊接，采用高斯模式来描述热流密度分布，计算得到的熔池上表面形状如图1所示，熔池为比较规则的圆形，尾部后拖明显不足，与试验结果有较大差距. 因此，为了有效地解决这一问题，在高斯热源的基础上，提出双椭圆柱-高斯分布热源模型.图1 熔池表面形状比较图Fig.1 Comparison of surface shape of heat双椭圆柱-高斯分布热源模型，定义为(1) 热源以焊接速度沿焊缝向前移动，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小，熔池表面为双椭圆形状，热流密度在径向呈高斯-双椭圆范围分布；(2) 热流密度沿厚度方向均匀分布，热源为一内嵌的双椭圆柱.如图2所示，某时刻t，其数学表达式为(1)式中：v为焊接热源移动速度；qm为热源中心的最大热流密度；a，br，bf为热源模型参数，确定方法：①a参照高斯热源有效半径，bf位于熔池前部，小于a，br位于熔池后部；②满足关系式为热流密度分布参数；u(z)为单位阶跃函数，其定义为(2)式中:h为柱体热源的作用深度;H为焊接材料厚度.Φ=ηΦ0=ηUI(3)(4)图2 双椭圆柱-高斯分布热源模型分布模型Fig.2 Double elliptical cylinder model of heat source式中：Φ为热源有效功率；Φ0为电弧总功率；η为焊接热效率；U为电弧电压；I为焊接电流；ξ为热流集中系数，ξ与焊接电流I关系[9]为ξ=9.49-0.232I+0.003 16I2-0.000 015I3(5)由热源所产生的热量有一部分损失于周围介质中，焊件吸收到的热量要少于热源所提供的热量. 故电弧焊接热效率η为热源有效功率Φ与电弧总功率Φ0的比值. 由文献[10]可知，铝合金薄板MIG焊接的热效率η取在0.7～0.85之间.焊接和冷却过程中，固体表面和外界的热量交换总量QT往往同时存在对流换热Qk和辐射换热Qr两种形式. 根据Newton法则，引用一个总的表面换热系数β来综合考虑这两种换热方式的影响,即QT=Qk+QT=β(Ts-T)=(βk-βr)(Ts-T)(6)式中：β为总的表面传热系数，它等于对流换热系数βk和辐射换热系数βr之和；Ts,T分别为瞬时结构温度和环境温度.对流换热系数βk以经验公式给定[11]，即βk=0.119Ts+10(7)辐射换热系数βr经验公式为[11](8)式中：γem为发射率，取0.9；φbol为Stefan-Boltzmann常数为5.67×10-8(W/m2·K4).2 薄板焊接试验与数值仿真对比文中研究采用试验结果与在ANSYS二次开发环境下的数值仿真结果相互对照的方法，已验证双椭圆柱-高斯分布热源模型的准确性.图3 薄板焊接几何模型(mm)Fig.3 Sheet metal welding geometry试验设计如图3所示，试验为两组100 mm×160 mm×5 mm薄板对焊，焊接坡口分别为V形和I形，材料为EN-AW-6061-T6铝合金. 采用MIG焊，焊接工艺据DIN6700-4执行[1]，其参数见表1. 焊丝采用与母材相同的材料，其热物理性能参数随温度非线性变化，如图4所示.表1 焊接工艺参数图4 A6061-T6物理性能参数Fig.4 Thermal physical properties of A6061-T62.1 试验焊温度场分析与比较图5为V形坡口焊接接头熔合区试验预测与数值仿真的比较. 中间深色区域为温度最高值，大于600 ℃，距焊缝中心越远温度越低(即颜色越浅)，至距焊缝中心12 mm处区域时，温度已经降到200 ℃. 可知，仿真结果沿厚度方向截面的温度分布的形状，数值与试验V形坡口焊接接头较好地吻合. 图5为I形坡口焊接接头熔合区试验与数值结果的对比. 与V形坡口不同，I形坡口焊接接头温度分布沿厚度方向无差别. 垂直于焊缝方向，随着距离焊缝中心增加，温度降低趋势与试验结果相同.图5 仿真温度分布与金相图对比Fig.5 Comparison of simulation and experimental on weld thickness direction图6为焊接某时刻焊件表面温度场数值仿真云图，这是一个准稳定温度场，它跟随热源以同样速度沿着焊缝向前移动. 在热影响区域，热量严格地按双椭圆柱热源模型功率密度分布规律分布. 热源中心最高温度为650 ℃，逐渐向周围发生辐射和对流，在移动过程中，温度场尾部有明显的拖长，与图1熔池表面形状的试验结果相吻合.图6 薄板焊接过程温度与纵向应力分布Fig.6 Distribution of welding temperature and longitudinal stress for sheet structure2.2 焊接应力场分析与比较焊接不均匀的加热和冷却的过程给母材造成了不均匀的组织和性能，同时使结构产生复杂的应变和应力. 图6b为薄板焊接过程纵向(y向)应力变化云图，每个热循环初始时，由于周围冷金属弹性区的阻碍而形成压应力，达到屈服应力时，产生高温压缩塑性变形；随着中心达到熔化温度，热弹塑性变形区加大，出现熔化区，应力降到零，相邻为力学熔化区和热弹塑性变形区；冷却时熔化区冷却凝固，由于加热过程中压缩塑性变形的积累，限制了熔化区凝固后冷却收缩而形成拉应力和变形及相应的卸载区，至室温时形成残余应力和残余变形. 该循环随着热源以焊接速度移动，最后形成焊接接头的残余应力，如图7所示.图8为垂直焊缝方向(以焊缝中心为原点，沿图3中x向不同点)的纵向(y向)残余应力试验值[1](小孔释放法所测)和仿真的比较. 仿真与试验在数值、趋势上均能较好地吻合，拉应力峰值出现在熔合线和热影响区，仿真值、试验值分别为88.8,85 MPa，而焊缝处应力值较低；热影响区外以压应力为主. 由此可知，双椭圆柱型热源模型能有效地模拟焊接残余应力、变形的过程，并得到较准确的残余应力分布规律.图7 残余纵向应力分布云图Fig.7 Distribution ofwelding residual longitudinal stress图8 薄板焊接残余纵向应力试验与仿真对比图Fig.8 Comparisons of welding residual longitudinal stress curves between experiment and simulation3 高速列车车头框架结构焊接工艺优化分析高速列车在运行中将承受巨大的空气阻力，这对车头框架的焊接工艺导致的热变形与残余应力的控制提出了严格的要求. 由于车头框架焊缝多，焊缝走向复杂. 使用上节中已经通过试验验证的高斯-双椭圆热源模型，基于ANSYS-APDL语言二次开发程序，对车头框架结构进行焊接工艺优化.选取典型局部型结构如图9所示. 该位置为铝合金板与型材组合结构焊接类型，即先焊接框架结构，后焊接板材与框架. 该结构由四条C形挤压铝合金型，通过焊接连接构成井字型，如图10.框架由专用工装卡具定位，内外侧共有4条焊缝. 焊接工艺参数如表1. 对于该结构的焊接工艺存在两种焊接工序，如图10R1焊接工序从外向里焊接，R2焊接工序从里向外焊接. 由于在焊接工序中的约束变化顺序不同，导致焊接过程热变形与残余应力分布不同. 针对这两种焊接工艺造成的温度场，热变形与残余应力分布进行了比较.图9 框架焊接结构图10 焊接工艺示意图Fig.10 Welding process对车头局部框架结构进行焊接模拟仿真，并计算分析. 图11为焊缝焊接和冷却过程的温度变化. 焊接过程中焊缝温度在600 ℃以上，并且最高温度达到了638 ℃，符合实际焊接的热输入要求. 热影响区(HAZ)的温度在400 ℃以上，已达到了铝合金发生动态软化的温度，其宽度区间大约为焊缝熔合线两侧各8 mm. 外侧四条焊缝同时起焊，由后往前，热源中心温度迅速达到熔点之后，传递到焊缝周围区域. 热源以8 mm/s的速度往前移动.图11 框架局部结构焊接温度场分布Fig.11 Distribution ofWelding temperature for local structure3.3 焊接残余应力与热变形分析分析图12为焊后结构位移云图，焊接冷却后，结构整体向焊缝位置收缩变形，趋向于焊缝位置变形逐渐增大，内侧上下两焊缝中间位移量最大,采用R1工序焊接最大热变形达到0.15 mm，R2工序热变形相对较小达到0.14 mm.图12 局部结构焊接后结构变形与温度场分布图Fig.12 Distribution of displacement and residual stress for local structures after welding两种焊接顺序下，残余应力分布规律相似，在远离焊缝区域几乎无差别，而热影响区先内后外的焊接顺序，残余应力值相对较大. 采用R1工艺焊接的构件，最大残余应力为219 MPa. 采用R2工艺焊接的构件、最大残余应力为244 MPa. 不同焊接顺序下，焊缝及附近区域的最终残余应力分布和大小是不一样的. 先焊外侧再焊内侧焊缝产生的最终残余应力的数值相对较小. 其原因是约束施加在纵向梁的两端，当先焊接外侧焊缝时，产生的残余应力可以向内侧削减；而如果先焊接内侧焊缝，再焊接外侧焊缝，此时焊缝处受到两边的约束，导致残余应力集中无法向外部扩散消减. 所以在进行车头框架结构焊接时，选择工艺R2进行焊接，焊后残余应力分布相对合理.3.4 车头整体框架残余应力分析经过前文的讨论，使用R2工艺，以及双椭圆柱-高斯分布热源模型对车头框架进行焊接仿真. 图13是头车框架各局部结构焊接残余应力云图. 前端焊接结构各焊缝之间的结构具有较强的相似性和对称性，焊接残余应力整体要小于前端结构. 竖板和中间部分的横板有连续较均匀的应力分布，在焊缝中心位置有局部应力集中，最大值为199 MPa，两端横板远离焊缝区域应力值较小.图13 车体前端焊接结构残余应力分布Fig.13 Welding residual stress distribution of front-vehicle structure4 结论(1) 针对高速列车典型的局部结构焊接的特点，提出并建立双椭圆柱-高斯分布热源模型，利用ANSYS-APDL语言二次开发实现热机耦合的铝合金MIG焊接过程数值仿真.(2) 将该方法应用于高速列车车头框架结构的焊接仿真，获得了框架结构的残余应力分布规律. 通过焊接工艺的比较分析发现，先焊外侧焊缝再焊内侧焊缝可获得更为合理的残余应力分布.(3) 该方法可有效地模拟车头框架结构焊接过程的残余应力分布，为高速列车车体工艺、疲劳等研究提供继续基础.参考文献：[1] 王炎金. 铝合金车体焊接工艺[M]. 北京：机械工业出版社，2011.[2] Fanous I F Z, Younan M Y A, Wifi A S. 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焊接温度场和应力场的数值模拟
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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
XSO管线钢焊接温度场的数值模拟
值非常接近。利 用一次正交回归试验 ，研 究焊接热输入 和预热温度对焊接热循环的影响规律 ，结果表明，热循环参数 ｔ 和 ｔ 随着热输入
和预 热温 度 的增 大 而增 大 ， 热输 入 对 ｔ 和 ｔ 的影 响 大 于预 热 温 度 对 ｔ 和 ｔ 影 响 ， 因此 ，在 实 际焊 接 时应 特 别 重 视 焊 接 热 输 入 的 选 择 Ｈ的
高 、操作 简 单 ，充分 证 明 了 Ｐ Ｃ在 机 械 加 工 顺 序 动 Ｌ
作 的逻辑控 制 的强大 优势 。另外 ，交 流伺 服 系统对 于
［ ］艾默生 网络能源有 限公司．Ｃ系列小型可编程 控制器编程 手册 ［］２ ０． ３ Ｅ ｚ． ０ ７ ［ ４］齐 占庆．机 床 电气 控 制 技 术 ［ ．北 京 ：机 械 工 业 出版 社 ，２ ０ ． Ｍ］ ０９ ［ ５］孙 振 强．可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用 教 程 ［ ．北 京 ：清 华 大 学 出版 Ｍ］
焊 接应力 、应 变热 弹塑性 动态 分析 的前 提 。 由于焊接 热源是 移动 的 ，温度场 中各 点温 度变 化 剧 烈 ，温 度场 的准确 测量 非常 困难 。 因此 ，采 用有 限 元模 拟 的方法对 温度 场进行 计算 是一 个发 展趋 势 。 本 文对 Ｘ ０管线 钢 的焊 接 温 度 场 进 行 了 数值 模 ８
０ １ｌ． １ ０ ９ｌ． ０ ２ｌ ． ０ ３ ． ０ ９ｌ ． ｌ． ０ ５Ｊ ． ０ ８ｌ． ０ １ ６ ３ ０ １ １ ０ ６ ９ ９ ０ ９ ６ ８ ０ ｆ Ｓ ｆ Ｖ ｆ Ｔ Ａ ｆ Ｎ ｆ ｉ ｆ ｌ ｝ ０８ｌ． ０２ｌ． ０ ０１． ０９１． ． ０４【． ００ｌ－ ＜０５ ． ０３ ０ ０ ０ ０ ０ ０ （ ００ｌ ４ １ ０ １ ） ０ ２ ３ ５
高能束焊接双椭球热源模型参数的确定_王煜
高能束焊接双椭球热源模型参数的确定王 煜, 赵海燕, 吴 甦, 张建强＊(清华大学机械工程系,北京 100084)摘 要:双椭球热源模型常用于高能束焊接过程数值模拟,模型中形状参数选择的合理与否对于计算精度和效率有很大影响。
由于缺乏定量化描述,进行数值模拟时,只能依靠经验通过反复试算确定模型参数,选择的随机性很大。
为此该文提出了一种用解析法计算高能束焊接双椭球热源模型参数的方法,通过实例计算和有限元模拟对该方法进行了验证,并建立了确定模型形状参数的经验公式。
研究结果表明,使用该方法只需进行简单的解析计算便可直接求得数值模拟所需的热源参数,简化了试算过程,提高了数值模拟的效率和精度。
关键词:高能束焊接;双椭球热源模型;解析法;有限元中图分类号:TG402 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2003)02-67-04王 煜0 序 言高能束焊以其束流的强穿透能力,可获得窄而深的焊缝,且焊后成品的热影响区小,焊接质量高,因而得到了日益广泛的应用。
为了进一步提高生产效率和产品质量,需要对焊接过程进行深入详细的研究。
但焊接过程是高温下的动态过程,采用试验方法进行实时测量十分困难,数值模拟方法则提供了重要的研究手段。
对焊接热过程的准确模拟是确保热应力变形分析可靠性的重要前提,针对不同焊接过程,应采用不同的热输入模式(热源模型)进行计算。
由于高能束流具有能量密度高,加热范围集中及存在小孔效应等特点[1],用于模拟普通熔化焊过程的Gauss热源模型不适于描述这一过程,而较多采用双椭球热源模型进行焊接数值模拟[2]。
由于该热源模型所描述的热流密度分布在椭球形体积内,能够反映出束流沿深度方向对焊件进行加热的特点,因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟。
然而对于功率大小相同的热源,当热流密度分布不同时,计算结果会有很大差异。
双椭球模型的形状参数对其内部热流密度分布有决定性的影响,但在应用时并没有定量化的公式说明应该如何选取形状参数。
焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择
赵 欣等：焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择429焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择赵 欣 张彦华（北京航空航天大学机械工程学院，北京 100083）摘 要：建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确可靠的前提。
本文总结了各种常用的热源模型，讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
关键词：温度场；数值模拟；热源模型1 序 言焊接过程通常是材料在具有高能量密度的热源作用下，连接区域局部熔化或呈塑性状态，进而冷却形成焊缝和焊接接头的过程。
焊接的过程伴随着材料加热和冷却的热过程，研究焊接的热过程对于研究焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接应力与变形以及焊接缺陷的产生等都有着重要的意义。
利用计算机技术对焊接过程的温度场进行数值模拟是研究焊接热过程的重要方法，通过数值计算可以得到焊接过程中母材上任意点任意时刻的瞬时精确解，而建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。
本文在多年焊接数值模拟及实验经验的基础上讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际焊接的情况。
热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的[1]。
对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。
事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。
这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。
2 表面热源模型 表面热源模型的特点是外界热量只是通过焊接构件表面输入，进而通过热传导把热量传输到焊接构件的每个部分。
不锈钢穿孔等离子弧焊热源模型的探讨
近２ Ｏ年来 ， 孔 等 离 子 弧 焊 （ ｅｈ ｌ ｐａｍａａｅ 穿 Ｋ ｙ ｏｅ ｌｓ ｒ ｗ ｌｉｇ Ｋ—Ｐ Ｗ） 为 高能密 度 焊接工 艺 方法之 一 ， ｅ ｎ， ｄ Ａ 作 成 为 现代 焊 接不 可 缺 少 的精 密 焊 接 工 艺 方 法 ， 泛 应 用 广 于 结 构钢 、 车 、 空 、 天 和 空 间 等 焊 接 ＿ 。相 对 于 汽 航 航 】 Ｊ
量 与焊 接工 艺 参 数 的关 系 ， 要 做 大量 的试 验 。 随着 需 焊 接过 程数 值 模 拟 研 究 的发 展 ， 利用 数值 模 拟 技 术 对 Ｋ— Ａ 进 行研 究 ， 择适 用 的体 积 热源 模 型 ， 算 Ｋ ＰＷ 选 计
—
Ｐ Ｗ 的 焊接 温度 场 ， Ａ 可为 Ｋ—Ｐ Ｗ 的生 产 应用 和试 Ａ
利用高斯面热源 以模拟熔池表 面轮廓 ， 而采用 圆
关键词 ： 穿孔等离子弧焊 中 图分 类 号 ： Ｔ ５ ． Ｇ４ ６ ２ 温度场 组 合式 热 源 有 限 元
０ 前
言
的面分 布或 是 体 积 分 布 ， 致 模 拟 的焊 接 熔 池 形 状 与 导 实 际 的焊缝 熔 合 线 吻 合并 不理 想 ， 进 一 步 提 出充 分 需 考 虑 Ｋ—Ｐ Ｗ 工 艺 和焊 缝 形状 特 点 的 、 用 的体 积 热 Ａ 适
对 Ｋ— Ａ 温度 场 的有 限元 模 拟 分 析 发 现 ： 用 ＰＷ 使 单一 类 型 的体 积热 源所模 拟 的焊 接熔 池 形 状很 难 与实
际 的焊缝 熔合 线 吻合 ， 因此 ， 析 温度 场 所 得 到 的结 果 分
都不 太 符 合 实 际 的 Ｋ—Ｐ Ｗ 的 情 况 。为 提 高 模 拟 精 Ａ 度 ， 究人 员 研 一 般 多采 用 二种 热 源进 行 组 合 ， 如 例 点 ＋线热 源 、 面热源 ＋ 热源 、 体 体热 源 １＋体 热源 ２等 ，
双椭球热源参数调整在预测在役焊接熔池尺寸上的应用
郭广飞 ， 王 勇， 韩 涛， 贾鹏 宇 ２ ５ ７ ０ ６ １ ） （ 中 国石 油大 学 （ 华 东 ）机 电工 程 学 院 ， 山东 东 营
摘 要： 双椭 球 热源模 型常用 于在 役 焊接 过程 的数 值模 拟 ， 模 型 中参 数 的合理 选 用 对 于 计算 结 果 的 正确性 具 有决定 性 的作 用 。 以往 进行 热 源参 数 的调 整 ， 常运 用 经验反 复进 行试 算 以确定 热源 参 数 ，
ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ． Ａｎ ｅ ｍｐ ｉ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｏ ｆ ｐ ｏ ｏ ｌ ｓ ｉ ｚ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ ｓ ｏ ｉ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ １． ａ Ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ， ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｔ ｌ ｙ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｉ ｎ —ｓ ｅ ｖｉ ｒ ｃ ｅ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ， Ｄ ｏ ｎ ｇ ｙ ｉ ｎ ｇ ２ ５ ７ ０ ６ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
304不锈钢TIG焊接工艺及数值模拟
Electric Welding Machine·49·第51卷 第5期2021年5月Electric Welding MachineVol.51 No.5May 2021本文参考文献引用格式：赵先锐，左敦稳，张强勇，等. 304不锈钢TIG 焊接工艺及数值模拟[J]. 电焊机，2021，51（5）：49-55.304不锈钢TIG 焊接工艺及数值模拟0 前言 304奥氏体不锈钢因具有优良的高温力学性能和高温抗氧化性能，焊接性能良好，广泛应用于工业领域[1]。
在工业生产中经常采用钨极氩弧焊（TIG ）焊接不锈钢，自动钨极氩弧焊具有高效、优质、成形美观等优点，适用于薄板自熔焊接[2]。
针对304不锈钢TIG 焊接，国内外研究者做了大量的研究工作。
王丽[3]在进行304不锈钢焊接时对比了涂敷和未涂敷活性焊剂，结果表明在涂敷活性焊剂时候焊缝熔宽显著增加，熔深有所减少。
郭富永[4]结合304不锈钢焊接特点进行了手工钨极氩弧焊的评定性试验，结果表明在合适的工艺参数下，焊接接头宏观检查未发现焊接缺陷、力学性能满足要求、耐晶间腐蚀能力强、铁素体含量稳定，评定结果合格，可用于实际生产。
高翔宇[5]针对工艺参数对TIG 焊接温度场的影响规律进行了有限元模拟研究，结果表明焊接电流对焊接热循环的峰值温度影响显著。
方逸尘[6]研究了焊接速度对304奥氏体不锈钢薄板焊接接头组织性能的影响，结果收稿日期：2020-12-29；修回日期：2021-01-24作者简介：赵先锐（1978—），男，博士，副教授，主要从事机械工程的研究工作。
E-mail：****************。
表明焊接接头组织均由奥氏体和铁素体组成，焊接速度增大的同时，焊缝区铁素体含量增大。
文中采用Abaqus 数值模拟软件，选用双椭球热源模型，分析了304奥氏体不锈钢焊接中温度场分布情况[7]，并将实际试验结果与模拟结果进行对比分析，反复修正热源模型参数，保证实际与模拟的焊缝形貌的匹配度良好，为进一步研究奥氏体不锈钢焊接性能积累基础科学数据。
SMA490BW耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟
Electric Welding MachineVol.54 No.2Feb. 2024第 54 卷 第 2 期2024 年2 月SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟户迎灿1， 王秋影1， 邱培现1， 许骏1， 廖子文21.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 2663112.西南交通大学 材料科学与工程学院， 四川 成都 610031摘 要：SMA490BW 耐候钢焊接过程中会产生较大的残余应力，常使用去应力退火的热处理方式消除残余应力。
建立了SMA490BW 耐候钢的焊接过程和焊后热处理过程中的有限元模型，对焊接以及焊后热处理的残余应力场进行了有限元模拟和验证。
通过引入材料的CREEP 本构模型，利用Norton-Bailey 指数方程模拟计算了焊后热处理时材料的蠕变行为，得到热处理对的焊接残余应力的影响。
研究结果表明：使用CREEP 本构模型，引入材料的蠕变行为可以较好地模拟焊接工件的焊后热处理过程中的应力应变变化，计算得到的残余应力值与实测值有较好的一致性。
这为工业上优化SMA490BW 耐候钢的焊接工艺、降低残余应力提供了理论支持。
关键词：SMA490BW 耐候钢； 热处理； 残余应力； 数值模拟中图分类号：TG441.8 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2024）02-0077-06Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Weldingand Post-Weld Heat TreatmentHU Yingcan 1, WANG Qiuying 1, QIU Peixian 1, XU Jun 1, LIAO Ziwen 21.CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266311, China2.Institute of welding, School of materials science and engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, ChinaAbstract: SMA490BW weathering steel is usually joined by welding. Residual stress will be generated during the welding process, which has a great impact on engineering application. In industry, annealing heat treatment is often used to reduce re ‐sidual stress. This paper establishes a finite element model of the welding process and post-weld heat treatment process of SMA490BW, the finite element simulation of the residual stress field of welding and post-weld heat treatment were carried out, and it was proven correct through test. By introducing the CREEP constitutive model of the material, the Norton-Bailey exponential equation is used to simulate the creep behavior of the material during post-weld heat treatment, and the effect of heat treatment on the welding residual stress is obtained. The research results show that: using the CREEP constitutive model, introducing the creep behavior of material can better simulate the stress and strain changes during the post-weld heat treatment of the welded workpiece, and the simulated residual stress values are in good agreement with the measured values.Keywords: SMA490BW weathering steel; heat treatment; residual stress; numerical simulation引用格式：户迎灿，王秋影，邱培现，等.SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟［J ］.电焊机，2024，54（2）：77-82.Citation:HU Yingcan, WANG Qiuying, QIU Peixian, et al.Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Welding and Post -Weld Heat Treatment[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(2): 77-82.0 引言SMA490BW 耐候钢具有良好的韧塑性和较高的强度，并且在大气条件下有良好的耐腐蚀性能，被大量应用于我国高速轨道列车的转向架结构中［1］。
双椭球热源
q(r)=))(3exp(3622
222223c z b y a x abc Q
f r ++-π
式中，a 、b 、c 为椭球体半轴长，两式中a 、b 、c 相互独立，分别可取不同值，甚至在异种材料焊接时，可将两1/4椭球分为两个1/8椭球，每个椭球对应不同的a 、b 、c 值；f f 和f r 分别为前后两部分椭球体的能量分配系数，且f f +f r =2。
式中abc为椭球体半轴长两式中abc相互独立分别可取不同值甚至在异种材料焊接时可将两14椭球分为两个18椭球每个椭球对应不同的abc值
双椭球热源
双椭球体热源模型含有两个不相同的1/4椭球体，前、后两椭球内的热流密度分布各不相同：前半部分椭球体热流密度公式为：
q(r)=))(3(exp abc Q
f 3622
双椭球热源模型参数对TIG焊接温度场影响规律的研究
第 １期
刘翔宇 ：双椭球热源模 型参数对 ＴＩＧ焊接温度场影响规律 的研究
５１
区的深 度 有所 增 加 。研 究还 发 现 ，熔 合 区 的温度 感 ，但整体温度分布情况对热源模型参数 的变化 场分布和温度峰值对热源模型参数的变化较为敏 不甚敏感、变化不大。
参 考 文献 ： 【１］吴言高 ，李午 申，邹宏军 ，等 ．焊接数值模拟技术发展研究 ［Ｊ］．焊接学报 ，２００２，２３（３）：８９—９２． ［２】薛忠 明，杨广 臣，张彦华 ．焊接温度场与力学场模拟 的研究进展［Ｊ］．中国机械工程 ，２００２，１３（１１）：９７７—９８０，９８９． 【３】莫春立 ，钱百年 ，国旭明 ，等 ．焊接热源计算模 式的研究进展『Ｊ１．焊接学报 ，２００１，２２（３）：９３—９６． 【４】Ｐａｖｅｌｉｃ Ｖ，Ｔａｎｂａｋｕｃｈｉ Ｒ，Ａｕｙｅｈａｒａ Ｏ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｉｓｔｏｒｉｐｓ ｉｎ ｇａｓ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｎ
跃ｎ１。由于温度对材料力学性能有显著影响 ，因此 面的辐射发射率 ；ｏｒ为 Ｓｔｅｆａｎ Ｂｏｌｔｚｍａｎ常数 ，本研 对残余应力 、焊接变形 以及裂纹等缺陷的精确预 究取５．６７ｘ１０～Ｗ·Ｉｌｌ～·Ｋ４；Ｔ和 分别表示工件表
测 ，必须建立在对电弧焊三维瞬态温度场的准确 计算 的基础上翻，而热源模型的建立则成为焊接温 度 场模 拟 的重要 部 分 。大量 研 究 表 明 ，焊接 温 度 场分布对热源模型参数非常敏感 ，设置合理的热 源模型参数 ，则可以大大提高数值模拟分析结果 的准确 性 和可靠 性ｐ。 。本 文 以奥 氏体 不锈 钢 ０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的ＴＩＧ焊接过程为例 ，采用 ＡＮＡＳＹＳ模拟 软件研究 了热源模型参数对焊接温度场的影响规 律 ，为进一步的研究工作奠定基础。
DEFORM Welding(1)-熔焊模拟技术
DEFORM Welding（1）-熔焊模拟技术 在熔化焊过程中，热过程贯穿整个焊接过程的始终，焊接温度场不仅决定焊接应力场和应变场，还与冶金、结晶及相变过程有着紧密的联系。
按照焊接热源作用方式不同，可将热源当作集中热源、平面分布热源、体积分布热源来处理。
在熔焊数值模拟中，经常用到的热源类型有高斯热源、双椭球热源、高斯圆锥热源等。
根据不同的熔焊工艺，热源模型的体现形式即热量输入则不同。
例如，普通电弧焊、氩弧焊采用双椭球热源模型，火焰焊、激光表面硬化热处理采用高斯热源，激光焊、电子束焊等高能量焊接则采用高斯圆锥热源模型等。
DEFORM Welding焊接模拟采用有限元计算方法，具备可直接使用的2D高斯热源、双椭球热源及3D高斯圆锥热源模型，能够满足熔焊中的电弧焊、激光焊、电子束焊等焊接工艺。
在耦合其热处理能力后，可同时实现焊缝及熔池区域的固液相变、奥氏体、珠光体等的组织转变现象分析。
焊接过程中，也可同时考虑熔滴对焊接件熔池的二次热传分析。
2D高斯热源双椭球热源3D高斯圆锥热源Deform MO多工序加工中的welding功能采用流程化向导式方法，焊接设置过程易于操作，可采用全中英文界面进行分析设置。
能够通过鼠标快速简便地定义焊接路径和方向，允许建立多个热源或不同热源模型在同一分析中进行计算，如可叠加表面高斯热源与双椭球热源进行复杂热输出情况的分析。
可根据焊接速度自动换算焊接各路径段时间，也可定义焊接停止启动时间，灵活控制焊接工艺过程。
焊接路径及热源进入方向DEFORM Arc welding焊接技术能够实现熔焊过程的以下功能分析：⏹可实现多条焊缝的分析，可根据焊缝分布定义热源进入方向；⏹焊接过程采用单元堆积实现焊缝的逐渐形成过程，该过程同时考虑焊缝熔滴的初始温度及对焊件和熔池的传热；⏹能够设置节点约束或建立夹具分析及优化焊接夹持位置对焊件变形的影响；⏹能够计算焊接及冷却过程温度场、应力应变、变形数据；焊缝形成过程焊接温度场焊接等效应力云图焊接工件变形能够计算熔池固液相变、组织转变现象，模拟熔池尺寸；考虑不同电压、电流和热效率对热源能量的影响。
6082-T6铝合金中厚板MIG焊与激光-MIG复合焊工艺和数值模拟对比研究
图1 激光-MIG复合焊接试验设备
材料 6082-T6 ER5087
Si 0.7~1.3
0.25
Mg 0.6~1.2 4.5~5.5
表1 焊接材料的化学成分（质量分数）
Cr
Ti
Cu
0.25
0.10
0.10
0.05~0.20 0.06~0.20
0.10
Zn
Fe
0.20
0.50
0.10
0.40
Mn 0.4~1.0 0.05~0.20
a）MIG焊接
52 2021年 第6期
图2 拉伸试样尺寸
热加工
b）激光-MIG复合焊接 图3 焊缝宏观形貌
焊接与切割
Welding & Cutting
所示。但是，相比于MIG焊接，由于激光-MIG复合 焊焊接速度较大，熔池凝固的时间较短，导致气体 来不及逸出，从而遗留在焊缝中形成气孔，并且气 孔大多集中于焊缝的上表面，如图4b所示。
在焊接过程中，变形主要分为挠曲变形和角变 形。本文将焊后试板置于5mm厚的基板上，用量尺 分别测量边变形的最大值作为挠曲变形结果。
3 试验结果与分析
3.1 焊缝表面形貌 图3分别是MIG焊和激光-MIG复合焊接6082-T6
铝合金的焊缝宏观形貌，二者的横截面形貌如图4所 示。MIG焊接采用三层四道的方法完成焊接，并且 在实施对接焊之前将对接处开设了135°的坡口。从 图3a可以看出，MIG焊接的焊缝熔宽较大，表面呈 现鱼鳞状。在MIG焊接过程中，由于采用分层多道 焊，熔池的熔融金属流动均匀平稳，焊缝表面较为 平整，如图4a所示。激光-MIG焊接接头熔宽较窄， 焊缝成形饱满，焊缝表面无明显缺陷形成，如图4b
3.4 拉伸性能 为了检测焊缝的抗拉强度，采用横向拉伸试
基于双椭球形热源的油田用小型储罐人孔焊接热应力分析
略 了 电 弧 的 穿 透 作 用 ，半 球 状 热 源 与 实 际 热 源 形 状 差 异 较 大 。 以 椭 球 形 热 源 密 度 函 数 计 算 过 程 中 ，发
现在椭 球 前 半 部 分 温 度 梯 度 不 像 实 际 中那 样 陡 变 ， 而椭球 的后 半 部 分 温 度梯 度 变化 较 缓 。为克 服 这 些
要 ～ 。
为 了完 成工 艺过 程 ，小 型储 罐必 须设 置接 口 ，以便 物料 的流 入 和 流 出 ； 同时 为 了便 于 检 测 和检 修 ， 需 要设 置压 力表 、液 位计 、安 全 阀 、人孑 或手 孔 等 ，这使 得压 力 容器 必须 进行 开 孔 接 管 Ｌ 。开 孔 接管 区的应 力状 况非 常复 杂 ，接 管和 壳体 是通 过 焊接 连接 在一 起 的 ，开孔会 造 成结 构 不连 续 ，形成 局部 焊 的双 椭 球 形 热 源 模 型 ， 推 导 出人 孔 焊 接 应 力 最 大 值 的 计 算 公 式并 求 出 其 应 力 集 中
系 数 的 参 考 值 。 这 种 新 的分 析 焊接 应 力 的 方 法 ，计 算 较 准 确 ， 对 油 田用 压 力 容 器 焊 接 应 力 的 分 析 有 着 积 极 的意义。
［ 要 ］ 油 田用 小 型储 罐 的 安 全 性 和 可 靠 性 非 常 重 要 ，而 储 罐 人 孔 处 的 焊 接 应 力 是 最 大 、 最 复 杂 的 ， 分 析 摘 人 孔处 的 应 力 是 非 常 必 要 的 。通 过 对 焊 接 熔 池 中 复 杂 的 热 过 程 用 导 热 连 续 体 中 的 焊 接 热 源 加 以近 似 ，建
连续油管环焊缝温度场模拟
《热加工工艺》2013年4月第42卷第7期连续油管环焊缝温度场模拟雷青娟,李宵,胡莎莎,武岳(西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065)摘要:利用有限元软件ANSYS 建立了连续油管对接环焊缝的三维焊接温度场的计算机数值分析模型。
分析中引入了双椭球热源分布模型,研制了相应的APDL 程序,计算出打底焊的温度场曲线。
模拟计算结果和试验结果基本吻合,表明该计算方法能准确地计算出焊接温度场。
关键词:环焊缝;双椭球;温度场;数值分析中图分类号:TG444;TG402文献标识码:A文章编号:1001-3814(2013)07-0175-02Simulation on Ring Welding Temperature Field for Ring WeldingSeam of Coiled TubingLEI Qingjuan,LI Xiao,HU Shasha,WU Yue(School of Material Science and Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China)Abstract :The coiled tubing ring seam 3D welding temperature field numerical analysis model was set up by finite element software ANSYS.The double ellipsoid heat source distribution model was imported,and the corresponding APDL programs were developed.The backing welding temperature field curve was calculated.The simulation results are basically consistent with experiment results,which show that the method can accurately calculate the welding temperature field.Key words :ring welding;double ellipsoid;temperature field;numerical analysis连续油管是相对于常规螺纹连接油管而言的,又称连续管、挠性油管、蛇形管或盘管,具有高强度和高韧性[1]。
激光+GMAW复合热源焊接热源与热过程
式中，H1 为双椭球体热源高度。 热源下半部分采用热流递增的圆柱体热源 PV 2 ，
3r 2 mh r0 6Q 2 q v2 r, z exp 2 πr0 H mH 2r0 r0 r0
H1＜z＜d 式中，H1 为双椭球体热源高度 m 为调节系数，H 为圆柱体热源作用
高度。D 为板厚，r0 为圆柱体热源半径。
y＜0，z ≤H1
3z 2 exp c2
3z 2 exp c2
3x 2 3y 2 12 3Q1 q( x, y, z) exp exp 2 2 π πa b1 b 2 c a b2
工件上、下表面的热流分布半径,这些参数根据经验以及实验结果确定。
三、激光+GMAW 复合焊接热源模型
对于激光+GMAW 复合焊接来说，由于焊缝下半部分的体积较小，此处散热 极快，采用中心热流不变的作用模式，很难模拟出理想的熔池轮廓。考虑到激光 和电弧之间的相互作用以及激光在小孔内壁的多次反射所起到的增强作用， 采用 峰值热流递增的热源， 将生热质点限定在熔池区域范围内，将有效地对深度方向 生热质点消耗的功率进行补偿。根据激光十 GMAW 复合热源焊接焊缝横断面的
二、激光焊热源模型
激光焊焊缝深宽比较大，说明焊接热源的热流沿工件厚度向施加很大的影 响， 因此必须按某种恰当的体积分布热源来模拟激光热源。本文采用锥体热源模 型对激光焊接温度场进行计算，三维锥体热源模型示意图如图。
三维锥体热源模型
三维锥体热源模式的实质是一系列平面高斯热源沿工件厚度方向叠加。 每个 截面的热流分布半径沿厚度方向呈线性衰减，而热流密度在：轴(焊缝垂直中心 线)上保持不变，具体公式为：
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finish/clear/BATCH WPSTYLE,,,,,,,,0/FILNAME,Laser Beam Welding,0 /TITLE,laser Beam Welding/units,si参数定义L=0.02B1=0.003B2=0.006B3=0.02H=0.0032D=0.001 !焊缝宽度ah=D/2chf=2*ahchb=8*ahbh=0.005rf=2*chf/(chf+chb)rb=2*chb/(chf+chb)N=0.27 !功率有效系数W0=2200 !功率W=W0*N !有效功率/PREP7!定义导热系数ET,1,SOLID70MPTEMP,1,20MPTEMP,2,100MPTEMP,3,200MPTEMP,4,300MPTEMP,5,400MPTEMP,6,500MPTEMP,7,600MPTEMP,8,700MPTEMP,9,800MPTEMP,10,900MPTEMP,11,1000MPTEMP,12,1200MPTEMP,13,1540MPTEMP,14,1700MPTEMP,15,2000MPTEMP,16,3000MPDATA,KXX,1,,6.5 MPDATA,KXX,1,,7 MPDATA,KXX,1,,8 MPDATA,KXX,1,,9 MPDATA,KXX,1,,10 MPDATA,KXX,1,,11 MPDATA,KXX,1,,12 MPDATA,KXX,1,,13 MPDATA,KXX,1,,13.5 MPDATA,KXX,1,,13.8 MPDATA,KXX,1,,13.9 MPDATA,KXX,1,,14 MPDATA,KXX,1,,14.2 MPDATA,KXX,1,,14.4 MPDATA,KXX,1,,14.4 !定义比热容MPTEMP,1,20 MPTEMP,2,100 MPTEMP,3,200 MPTEMP,4,300 MPTEMP,5,400 MPTEMP,6,500 MPTEMP,7,600 MPTEMP,8,700 MPTEMP,9,800 MPTEMP,10,900 MPTEMP,11,1000 MPTEMP,12,1200 MPTEMP,13,1540 MPTEMP,14,1700 MPTEMP,15,2000 MPTEMP,16,3000 MPDATA,C,1,,600 MPDATA,C,1,,620 MPDATA,C,1,,640 MPDATA,C,1,,660 MPDATA,C,1,,680 MPDATA,C,1,,700 MPDATA,C,1,,725 MPDATA,C,1,,750 MPDATA,C,1,,775 MPDATA,C,1,,800 MPDATA,C,1,,805MPDATA,C,1,,830 MPDATA,C,1,,850 MPDATA,C,1,,900 MPDATA,C,1,,900!定义密度MP,DENS,1,4450建立几何模型BLOCK,0,B1,0,L,0,H, BLOCK,B1,B2,0,L,0,H, BLOCK,B2,B3,0,L,0,H, VGLUE,all划分网格esize,h/16,0VSWEEP,1esize,h/2,0VSWEEP,5MSHAPE,1,3D MSHKEY,0VMESH,4FINISH施加载荷STEP=0.002 ! N=L/STEPV=0.004 !速度*DO,I,0,NYY=I*STEPT=(YY+STEP)/V/SOLUANTYPE,4TRNOPT,FULLTUNIF,293,OUTRES,NSOL,LAST TIME,TNROPT,FULL,,ON AUTOTS,1NSUBST,5, , ,1KBC,1lnsrch,1TSRES,ERASETINTP,,,,1,,,,,TIMINT,0,structTIMINT,1,THERMTIMINT,0,MAG添加第一个载荷步（焊接阶段，有对流和热源）NSEL,S,EXTNSEL,U,LOC,X,0ASEL,S, , ,5ASEL,U,LOC,X,0LSLA,SNSLL,A,1SF,ALL,CONV,200,293ALLSEL,ALL!NSEL,ALL!*GET,CENTER,NODE,,MNLOC,X!NSEL,S,LOC,X,CENTER!SF,ALL,HFLUX,0双椭球热源的加载前半球节点的选取LOCAL,11,2,0,YY,0, , , ,3,8,NSEL,S,LOC,X,,DNSEL,R,LOC,Y,,90NSEL,R,LOC,Z,,90CM,FRONT,NODELOCAL,13,0,0,YY,0, , , ,1,1,前半球函数、表格定义*DEL,_FNCNAME*DEL,_FNCMTID*DEL,_FNC_C1*DEL,_FNC_C2*DEL,_FNC_C3*DEL,_FNC_C4*DEL,_FNC_C5*DEL,_FNCCSYS*DEL,'TFRONT'*SET,_FNCNAME,'TFRONT'*DIM,_FNC_C1,,1*DIM,_FNC_C2,,1*DIM,_FNC_C3,,1*DIM,_FNC_C4,,1*DIM,_FNC_C5,,1*SET,_FNC_C1(1),rf rf*SET,_FNC_C2(1),w Q*SET,_FNC_C3(1),chf chf*SET,_FNC_C4(1),ah ah*SET,_FNC_C5(1),bh bh*SET,_FNCCSYS,13*DIM,%_FNCNAME%,TABLE,7,38,1,,,,%_FNCCSYS% *SET,%_FNCNAME%(0,0,1), 0.0, -999*SET,%_FNCNAME%(2,0,1), 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,1DELTIM,0.2,0.1,0.4,1SOLVE/post26nsol,6,node(0.000,5*L/10,0.000),temp,,origin在表面沿着远离焊缝中心（+x）方向取点nsol,7,node(0.0005,2*L/4,0),temp,,top1nsol,8,node(0.001,2*L/4,0),temp,,top2nsol,9,node(0.0012,2*L/4,0),temp,,top3nsol,10,node(0.0015,2*L/4,0),temp,,top4plvar,6,7,8,9,10,savefinish。